Bimetallic cobalt-nickel phosphide composite biomass carbon materials as efficient electrocatalysts for zinc-air batteries

Die Welt sucht nach saubereren Wegen zur Energiespeicherung und bewegt sich weg von fossilen Brennstoffen, die die Luft verschmutzen und den Planeten erwärmen. Unter den vielen Technologien, die erforscht werden, stechen wiederaufladbare Zink-Luft-Batterien als eine vielversprechende Option hervor. Diese Geräte funktionieren wie eine Mischung aus einer herkömmlichen Batterie und einer Brennstoffzelle. Sie verwenden eine Zinkmetallplatte als eine Seite und ziehen Sauerstoff aus der Luft für die andere Seite, wodurch Elektrizität durch eine chemische Reaktion erzeugt wird. Die Energie, die sie speichern können, ist theoretisch sehr hoch, und da sie wasserbasierte Flüssigkeiten anstelle von brennbaren Chemikalien verwenden, sind sie von Natur aus sicher und bestehen aus Materialien, die billig und reichlich vorhanden sind. Ein großes Hindernis hat sie jedoch daran gehindert, zu einer gängigen Energiequelle zu werden: Die chemischen Reaktionen, die in der Batterie ablaufen, sind zu langsam. Speziell die Prozesse, die Sauerstoff verbrauchen, um Elektrizität zu erzeugen, und der umgekehrte Prozess, der Sauerstoff freisetzt, um die Batterie aufzuladen, haben Schwierigkeiten, mit der Nachfrage Schritt zu halten. Um dies zu beheben, benötigen Wissenschaftler spezielle Materialien, sogenannte Katalysatoren, die diese Reaktionen beschleunigen können. Die derzeit besten verfügbaren Katalysatoren bestehen aus seltenen und teuren Metallen wie Platin, die knapp sind und zu viel kosten für eine breite Anwendung.

Ein Forschungsteam von Universitäten in China hat einen neuen Ansatz entwickelt, um dieses Problem zu lösen, indem es einen Katalysator erschuf, der sowohl effektiv als auch erschwinglich ist. Anstatt sich auf seltene Metalle zu verlassen, kombinierten sie zwei gewöhnliche Übergangsmetalle, Kobalt und Nickel, mit einer Form von Kohlenstoff, der aus einem natürlichen, biologisch abbaubaren Material namens Chitosan gewonnen wurde. Chitosan stammt aus den Schalen von Krustentieren, einem Abfallprodukt, das oft entsorgt wird. Die Forscher verarbeiteten diesen Abfall zu einem porösen Kohlenstoffmaterial und ließen darauf winzige Strukturen aus Kobalt-Nickel-Phosphid wachsen. Phosphid ist eine Verbindung, bei der Metallatome mit Phosphor verbunden sind, einer Substanz, die für ihre gute elektrische Leitfähigkeit bekannt ist. Durch das Mischen dieser Elemente schuf das Team ein Verbundmaterial, das als leistungsstarker Katalysator für sowohl die sauerstoffverbrauchenden als auch die sauerstofffreisetzenden Reaktionen dient, die für eine Batterie benötigt werden.

Die Forscher testeten ihr neues Material, das sie CoNiP@NC nannten, in einer Laborumgebung, um zu sehen, wie gut es im Vergleich zu den teuren Goldstandard-Katalysatoren abschneidet. Sie fanden heraus, dass das neue Material bemerkenswert effizient war. Wenn sie maßen, wie leicht es die Reaktion zum Sauerstoffverbrauch starten konnte, benötigte es eine Spannung von 0,876 Volt, ein Wert, der der Leistung der teuren platinbasierten Katalysatoren sehr nahe kommt. Wenn sie maßen, wie gut es Sauerstoff freisetzen konnte, um die Batterie aufzuladen, benötigte es einen zusätzlichen Schub von nur 503 Millivolt, was besser ist als die Benchmark-Materialien, gegen die sie getestet wurden. Vereinfacht gesagt konnte der neue Katalysator die notwendigen chemischen Reaktionen mit weniger Energieverlust als die traditionellen teuren Optionen vorantreiben. Das Team entdeckte auch, dass die spezifische Kombination aus Kobalt und Nickel entscheidend war. Als sie ähnliche Materialien unter Verwendung anderer Metalle wie Mangan oder Eisen anstelle von Nickel testeten, war die Leistung nicht so gut. Die Nickelatome schienen das elektronische Umfeld des Kobalts zu verändern, wodurch die aktiven Stellen auf der Oberfläche effektiver bei ihrer Arbeit wurden.

Um zu verstehen, warum diese Kombination so gut funktionierte, nutzten die Forscher leistungsstarke Computersimulationen, um das Verhalten der Atome auf mikroskopischer Ebene zu untersuchen. Diese Berechnungen zeigten, dass die Anwesenheit von Nickel die Energiebarriere für die chemischen Reaktionen senkte, was es dem Prozess erleichterte, stattzufinden. Die Simulationen enthüllten auch, dass der stickstoffdotierte Kohlenstoffträger eine entscheidende Rolle spielte. Das Kohlenstoffmaterial war nicht nur ein passiver Halter für die Metallpartikel; es stellte seine eigenen aktiven Zentren für die Reaktion bereit und half dabei, die Metallstrukturen zu stabilisieren, damit sie im Laufe der Zeit nicht zerfallen. Die poröse Natur des Kohlenstoffs, der aus Chitosan erzeugt wurde, ermöglichte es zudem, dass Gase und Flüssigkeiten leicht hindurchfließen konnten, wodurch sichergestellt wurde, dass die aktiven Zentren immer zugänglich waren. Diese Synergie zwischen den Metallpartikeln und dem Kohlenstoffträger schuf ein stabiles und hochaktives System.

Der ultimative Test für diesen neuen Katalysator bestand darin, eine funktionierende Zink-Luft-Batterie zu bauen und zu sehen, wie lange sie halten würde. Die Forscher montierten eine Batterie unter Verwendung ihres neuen Materials als Luftelektrode und einer Zinkplatte als der anderen Seite. Sie ließen die Batterie über wiederholte Zyklen des Ladens und Entladens bei einem konstanten Strom laufen. Die Batterie mit dem neuen Katalysator lief 240 Stunden lang, bevor sie Anzeichen von erheblichem Verschleiß zeigte. Im Gegensatz dazu hielt eine Kontrollbatterie, die mit der Standardmischung aus Platin und einem anderen teuren Metalloxid gebaut wurde, unter denselben Bedingungen nur 110 Stunden durch. Dieses Ergebnis demonstrierte, dass das neue, günstigere Material nicht nur effizienter beim Antrieb der Reaktionen war, sondern auch über die Zeit hinweg langlebiger war. Die Batterie hielt eine konstante Spannung viel länger aufrecht, was darauf hindeutet, dass der Katalysator nicht so schnell degradierte wie die traditionellen Materialien.

Der Erfolg dieser Arbeit liegt in der klugen Integration verschiedener Komponenten. Die Forscher haben die Materialien nicht einfach nur gemischt; sie haben ein System entwickelt, in dem der aus Biomasse gewonnene Kohlenstoff, das Kobalt und das Nickel harmonisch zusammenarbeiten. Der Kohlenstoff bot ein leitfähiges, poröses Gerüst, das die Metallstellen dem Elektrolyten aussetzte, während das bimetallische Phosphid die spezifischen chemischen Eigenschaften bot, die zur Beschleunigung der Reaktionen nötig waren. Die Verwendung von Chitosan als Ausgangspunkt adressierte zudem ein Umweltproblem, indem ein Abfallprodukt in eine Hightech-Komponente verwandelt wurde. Obwohl das neue Material die Leerlaufspannung der platinbasierten Batterie nicht exakt erreichte, machen seine überlegene Zykluslebensdauer und die geringeren Kosten es zu einer überzeugenden Alternative für die zukünftige Energiespeicherung. Die Studie legt nahe, dass es durch die sorgfältige Abstimmung der elektronischen Struktur gewöhnlicher Metalle und deren Unterstützung durch nachhaltige Kohlenstoffmaterialien möglich ist, Hochleistungsbatterien ohne Rückgriff auf knappe Ressourcen zu schaffen. Dieser Ansatz bietet einen praktischen Weg, um Zink-Luft-Batterien zu einer praktikablen Option für die groß angelegte Speicherung erneuerbarer Energien zu machen.